【知識文章】如何在不用外部Redbox無縫合併PRP和HSR網絡,來實現精確時間同步?

目前各個行業正朝向乙太網發展,近年來出現許多創新技術,來增強標準乙太網的彈性,並將其用在OT和IT的通用鍵路層。在具有高可用性和嚴格時序的要求領域,如電器領域,這些創新技術得到了發展。

乙太網

目前大多數工業網絡都是基於以太網的,自1983年以太網標準化以來,無論是從技術角度還是從應用角度來看,它都不斷地發展中。計算機網絡的最初用途已擴展為工業現場總線(PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、SercosIII等)、航空航天(AFDX)、能源(IEC61850)、汽車(確定性以太網)和運輸。

變電站保護、自動化和控制系統(PACS)等關鍵系統可以從以太網技術中受益,前提是它可以確保在網絡故障的情況下不會丟失幀、有效集成準確的時序同步方案、供應商之間的互操作性以及一些基本的實時操作能力。

從這個意義上說,IEC組織開展了一項非常有價值的標準化工作,發布了IEC 62349-3“工業通信網絡——高可用性自動化網絡”,並開發和發布能夠在這些冗餘環境中運行的精確時間協議IEEE 1588的特定配置文件。

高可用性乙太網

該標準IEC62349-3的第5部分和第4部分分別定義了高可用性無縫冗餘(HSR)協議和並行冗餘協議(PRP)。兩者都提供零延遲恢復時間和以太網網絡上的無幀丟失。 HSR面向以太網環形拓撲,它確保幀傳送時間的已知最壞情況。 PRP與兩個獨立的舊式以太網網絡一起工作,它不適合在實時場景中工作。事實上,PRP、HSR和PTP可以結合起來支持時間感知網絡。

精確時間協議(PTP)

工業控制系統對亞微秒級同步的要求越來越高。作為在行業中引入這種組合方法(可靠以太網與IEEE 1588相結合)的示例,IEC智能電網戰略組建議採用IEEE 1588-2008標準中定義的PTP,用於變電站中的高精度時間同步。 PTP直接通過以太網在變電站網絡中分配絕對時間,實現納秒範圍內的同步精度。

PTP系統遵循主從層次結構,其中主設備施加時間,從設備在相位和頻率上與其同步。傳播延遲由從站自動補償,為了考慮網絡節點引入的延遲,必須在中間節點中添加透明時鐘(TC)功能。

因此,網絡中的所有交換機都應支持TC操作,以糾正被交換的PTP幀,以免失去預期的準確性。典型的PTP網絡由分隔不同時鐘區域的PTP邊界時鐘設備和能夠作為主設備和從設備工作的PTP普通時鐘完成。

除了在電力領域的廣泛使用之外,IEEE 1588更常見於其他場景。例如:一些目標應用是用於天然氣和石油的分佈式傳感器數據採集、確定性以太網的時間參考、電機驅動器的相位和頻率同步或從航空航天和國防中的DAU進行分佈式數據採集。

HSR/PRP網絡無縫合併解決方案

在實時部分和非實時部分中,需要完全冗餘路徑的關鍵基礎設施,可以從PRP和HSR網絡的結合中受益。 PRP由兩個標準以太網組成,支持PRP的設備負責通過兩個LAN網絡發送和接收重複幀。

這種方法非常適合重用常規以太網基礎設施,但它缺乏任何機制來確保給定幀的最壞情況下的交付時間。 HSR允許計算此參數。因此,它是一種標準化和可互操作的解決方案,適用於面向控制的通信。

例如,IEC 61850變電站的典型零延遲恢復時間拓撲基於在站總線部分實施PRP,在過程總線區域實施HSR環。 PRP網絡與HSR環的連接必須通過兩個不同的點來完成,避免前面提到的SPOF。 IEC62349-3標准定義了進行互連的設備的行為方式。

具體來說,當幀通過一個網絡到達另一個網絡時,它們需要支持HSR/PRP模式以正確管理序列號字段。從集成商的角度來看,一種選擇是組合和配置支持PRP-HSR的獨立RedBox設備,支持能夠處理(組合)冗餘的IEEE1588配置文件。

使用RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe解決方案合併HSR和PRP網絡

在航空先進製造中心工廠(CFAA)中實施的另一種替代方案是使用插入兩台工業PC計算機的兩個RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡。這種設置由於這些設備支持的PRP-to-HSR特殊模式,允許將PRP部分與工廠中的HSR互連。

對於此設置,HSR環是光纖,而PRP網絡是GbE銅介質。每個PRP分支都連接到以太網輸入,該輸入通常用於連接RedBox操作中的標準LAN。配置只需幾分鐘且只需一次:操作員連接到嵌入在PCIe卡中的Web應用程序並選擇PRP-HSR操作。

RELYUM RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡插入PC服務器
RELYUM嵌入式基於web的配置工具

結論

本文結合PTP總結了高可用性協議HSR和PRP的概念,並介紹了可無縫集成到任何工業計算機中的即用型PCIe產品。文章提出的方案解決了高可用性以太網網絡集成商的需求:實現PRP和HSR網絡的簡單互連。由於RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe上嵌入了DAN和RedBox的雙重功能,它無需額外的中間RedBox外部設備,並重用現有網關或PC SCADA系統來管理數據包處理。


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